Пета електронни измервателни уреди Електронни аналогови измервателни уреди

Както беше отбелязано в част 3.5.1 честотата е неелектрическа величина и е свързана непосредствено с величината време. Честотата и времето имат реципрочни стойности (3.90).

В
цифровата техника измерването на честота, период и време, обикновено е обединено в един уред, който може да работи като честотомер, периодомер или хронометър. Цифровите честотомери не измерват моментната стойност на честотата, а нейната интегрална стойност за определен период от време. На фиг. 5.11 а е показана структурната схема на цифров честотомер с непосредствено преобразуване и циклично действие.

a)




b)

фиг. 5.11

Тя включва:

- формиращо устройство ФУ, което формира правоъгълни импулси (по един импулс за всеки период Т_Х на входното напрежение ). Формиращото устройство е изградено върху схема на тригер на Шмит с интегрираща верига на изхода.

Разстоянието между импулсите е:

(5.13) ;

- електронен ключ (врата) ЕК, представлява електронно устройство с два входа и с един изход. Когато управляващият вход f е свободен (потенциал 0) ключът е отворен и към изхода не се пропуска информация. Когато на входа постъпи импулс с продължителност Т_К ключът се затваря и пропуска квантуващи импулси с честота f_X от втория (квантуващ) вход b към брояча. След време Т_К ключът се отваря отново и към брояча не постъпват импулси. Следователно, ключът пропуска квантуващи импулси с честота само при наличие на сигнал на управляващия вход (g);

- схема за управление на ключа СУК формира импулс с продължителност Т_К (f);

- високостабилен генератор на импулси ГИ произвежда високочестотни правоъгълни импулси с еталонна честота и период . От стабилността на честотата зависи точността на честотомера. Грешката на генерираната честота е до 1.10^-6.

- честотен делител ЧД с коефициент на делене k намалява честотата k-пъти и увеличава периода k-пъти, т.е. и (d); Чрез честотния делител се задава времето за измерване (периода Т_К), скоростта и точността на измерването. Например, при генератор ГИ с еталонна честота 1kHz трябва да се измери честота f_x=987,42Hz и времето за измерване е 1s. Показанията ще са:

(5.14) ,

където N е брой импулси, преминали за всеки такт на измерване . Точността на измерване е . Ако времето за измерване е 10s се получава следният резултат: . Индикаторът ще показва 987,4Hz, т.е. точността е по-висока. Когато не е важна точността, а само стойността на честотата в kHz, времето за измерване се поставя 1ms. Например, трябва да се измери честота f_x=987426Hz: .

- брояч на импулси Б, на изхода му се формира и запаметява код с подходяща бройна система, който съответства на постъпилите на входа му единични импулси;

- дешифратор ДШ, който преобразува работния код (двоичен или двоично-десетичен) в комбинация от цифрови сигнали за управление на цифровия индикатор;

- цифров индикатор ЦИ, чрез който стойността на измерената честота се представя с десетично число;

- блок за управление БУ, чрез който се нулира резултата от предходното измерване и се определя периодичността на измерването. Представлява мултивибратор с регулируемо време. БУ може да работи в автоматичен или ръчен режим. В автоматичен режим на работа мултивибраторът задава нулиращите импулси през определен интервал от време, през който се извършват процесите измерване и индикация. В ръчен режим нулиращият импулс се задава ръчно (с бутон) или от външен управляващ сигнал (дистанционно), като резултатът от измерването се задържа върху индикатора до постъпване на нов управляващ импулс.

Работата на цифровия честотомер преминава в следната последователност. Блокът за управление БУ формира нулиращ сигнал, който подготвя схемата за управление на ключа СУК за работа. След получаване на старт-импулс СУК формира управляващ импулс на входа f и ключът се затваря за време Т_К. Ключът пропуска квантуващи импулси с честота , които се броят от брояча. При всеки такт на измерване през електронния ключ преминават N на брой импулси:

(5.15) ; .

Не трябва да се забравя, че цифровият честотомер замерва средна стойност на честотата за определен период от време (Т_К).

Цифровите уреди се характеризират с грешка като следствие от дискретността, т.е. стойността на измерваната величина може да се определя с точност до един импулс. За цифровия честотомер тази грешка се определя така:

(5.16) .

От (5.16) следва, че ще бъде малка при голям коефициент на деление (при голям период ) и при по-висока стойност на измерваната честота .

Период на променливо напрежение се измерва с цифрови периодомери. Те не съществуват като самостоятелни уреди, а са в състава на универсалните честотомери-хронометри. Тяхната структурна схема е аналогична на схемата, показана на фиг. 5.11. Разликата се състои в това, че сигналите постъпващи на входовете b и f си разменят местата. Тогава електронният ключ ще е затворен за време , а броячът ще брои импулси с период за време :

(5.17) ,

Грешката от дискретност на периодомера се определя така:

(5.18) .

Структурната схема на цифровите хронометри е аналогична с тази разлика, че при тях интервалът от време се появява еднократно. От блока за управление БУ се задават командите “Нулиране”, “Старт” и “Стоп”.
5.2.3. Цифрови фазомери

Както беше отбелязано в част 3.5.2 всеки синусоидален сигнал се характеризира с амплитуда, честота и фаза. Текущата фаза ω.t определя състоянието на сигнала в даден момент от време. Началната фаза φ е постоянна и определя момента на преминаване на сигнала през някаква условно приета точка на отчитане. Два хармонични сигнали с еднаква честота, но с различни начални фази се характеризират с фазова разлика (моментна фазова разлика).

Цифровите фазомери се характеризират с преобразуване на фазовата разлика между две напрежения в друга величина, удобна за непосредствено измерване. Съществуват различни схеми за реализация на цифрови фазомери, като общото между тях е, че се измерва определен интервал от време.

В [17] е показана структурна схема на цифров фазомер за измерване на моментната стойност на фазова разлика (фиг. 5.12)

фиг. 5.12

(5.19) .

Ключът се затваря от старт-импулс, който се формира в момента, когато напрежението u₁ премине през нулевото ниво в положителна посока, а се отваря от стоп-импулс, образуван от положителния фронт на напрежението u₂. Процесът на измерване започва след подаване на нулиращ сигнал и продължава през времето, когато ключът остава затворен (от момента t₁ до t₂, t₃ до t₄...). В момента t₂ напрежението u₂ се нулира, т.е. . Следователно

(5.20) ,

и след заместване в (5.19) се получава:

(5.21) .

От (5.21) следва, че индикацията е пропорционална на фазовата разлика при условие, че кръговата честота ω и честотата са постоянни. Следователно, този тип фазомери са предназначени за измерване на определена честота. Например, в цифровия фазомер тип ФСТ121 еталонната честота е 180kHz. От фиг. 5.12 б се вижда, че се измерва фазовата разлика между двете напрежения за всеки период, т.е. измерва се моментната фазова разлика.

В [11] е предложена схема на цифров фазомер (фиг. 5.13) с честотен умножител.

фиг. 5.13

(5.22) .

Времето се квантува с импулси с период . Следователно, към броячът Б постъпват импулси, чийто брой се определя така:

(5.23) .

От (5.23) се вижда, че връзката между фазовата разлика и количеството импулси за времето на измерване е линейна.

5.2.4. Цифрови волтметри

Първият електронен цифров волтметър е създаден в средата на 20 век. Поради високата си точност, голямото бързодействие, универсалност и редица други положителни качества цифровите волтметри са едни от най-разпространените цифрови уреди днес. Създадени са различни схемни решения за цифрови постояннотокови волтметри, които може да се класифицират в две основни групи: времеимпулсни и компенсационни. При първата група напрежението се преобразува в пропорционален интервал от време, който се запълва с импулси с определена честота. При втората неизвестното напрежение се измерва чрез сравняване с еталонно напрежение.

При тези волтметри напрежението се преобразува в еквивалентен интервал от време , който се квантова с импулси за да може да бъде измерен. Структурната схема на цифров волтметър с двойно интегриране е показана на фиг. 5.14.

Генераторът на импулси ГИ генерира импулси с еталонна честота и период , които се подават към електронния ключ ЕК и честотния делител ЧД с коефициент на делене k. ЧД формира тактов импулс . Под действие на предния фронт на импулса от честотния делител, превключвателят Кл се включва в положение 1 за време . Неизвестното напрежение U_X постъпва в интегратор И.

фиг. 5.14

фиг. 5.15

фиг. 5.16

(5.24) ,

където е времеконстантата на интегратора.

В края на тактовия импулс изходното напрежение достига стойността:

(5.24а) .

където U_X е средната стойност на напрежението за време Т_И.

При край на тактовия импулс ключът Кл се превключва в положение 2, а електронния ключ ЕК получава импулс “Старт” от честотния делител. В интегратора постъпва стабилизирано напрежение , чиято полярност е обратна на измерваното . Напрежението на изхода на интегратора започва да намалява

(5.25) ,

като след време достига стойност (фиг. 5.16). Тогава измервателната схема за сравняване (компаратор) ИСС изработва импулс “стоп” и електронния ключ ЕК се отваря.

При и от (5.24а) и (5.25) се получава:

(5.26) ,

и средната стойност на e:

(5.27) .

През времето през електронния ключ ЕК преминават импулси, произвеждани от генератора ГИ с период (фиг. 5.16). Техният брой е:

(5.28)

Тъй като честотния делител ЧД има коефициент на деление К, а , то броячът ще отброи:

(5.29) .

Стръмността на линията на нарастване на изходното напрежение от интегратора зависи от стойността на измерваното напрежение (фиг. 5.16). При по-голямо напрежение стръмността е по-голяма, но времето за нарастване е постоянно (времето Т_И). Наклонът на спадане на изходното напрежение се получава при диференциране на израза 5.25. Този наклон е постоянен, така че времето Т_X се променя в зависимост от стойността на напрежението . Наличието на тези два етапа (интегриране Т_И и измерване Т_X) са дали името на този метод - с двойно интегриране.

Голямата стабилност на и , както и извършване на осредняващо действие на интегратора, с което се отстранява влиянието на смущаващите шумове, са причина за голямата точност на тези волтметри. Те се произвеждат обикновено с клас на точност 0,01 и 0,001.

В [9] е показана друга схема цифров волтметър, с която също се реализира времеимпулсният метод (фиг. 5.17). Измерваното напрежение през входно устройство ВУ се подава към измервателната схема за сравняване (компаратор) ИСС. В същата схема постъпва и трионообразно напрежение . Блокът за управление БУ изработва стартов импулс, с който се нулира броячът, запуска се генераторът на трионообразно напрежение и се затваря електронният ключ ЕК. Генераторът на импулси ГИ генерира импулси с еталонна честота и период , които преминават през електронния ключ ЕК до постъпване на “стоп” импулс от компаратора. Броят им се регистрира от брояча и след дешифриране се изобразява стойността на напрежението върху индикатора. Схемата за сравняване изработва “стоп” импулс при изравняване на стойностите на двете напрежения и . Така измерваното напрежение се превръща във временен интервал, след това в цифров код, който след дешифриране показва стойността на напрежението.

фиг. 5.17

В глава 4 беше показано, че компенсационните методи принадлежат към най-точните и съвършени методи. Принципът на работа на компенсаторите за постоянно напрежение се основава на нулевия сравнителен метод. Измерваното (неизвестно) напрежение се компенсира с регулируемо образцово (известно) напрежение .

При разработване на компенсационни цифрови волтметри конструкторите са използвали два подхода: уравновесяването се извършва равномерно или поразрядно. Опростената структурна схема е една и съща, като разликата е в работата на блока за управление на уравновесяването (фиг. 5.18).

Структурната схема включва схема за сравняване ИСС (компаратор), в която постъпват измерваното напрежение и компенсационното . Разликата постъпва в управляващия блок БУ и той изработва код , насочен към намаляване на тази разлика .

фиг. 5.18

Недостатък на уредите с равномерно уравновесяване е, че кодът нараства с еднаква стъпка при всеки цикъл и е необходимо определено време за достигане на равновесие.

При волтметрите с поразрядно уравновесяване се постига компенсиране на най-старшия разряд с големи стъпки на и , след това се преминава към по-младшия разряд с по-малки стъпки и т.н. Например, ако се измерва напрежение първо се уравновесяват стотиците, след това се работи със стъпки кратни на 10 и последно със стъпки кратни на 1. Това ускорява процесът на уравновесяване и отчитане.

Цифровите волтметри с поразрядно уравновесяване сe характеризират с висока точност (клас на точност 0,001) и скорост на измерването, но отстъпват на волтметрите, реализирани по времеимпулсният метод по шумозащитеност особено при малки обхвати.